STM32与FPGA开发的食物放射污染仪器

发表于 2020-4-12 09:44

在核辐射突发事件发生时，核污染可通过水、空气等媒介进行传播，残留时
间长且难以完全消除，不仅会对人类生命、健康造成直接伤害，而且会对周遭的
上壤、水源和空气造成严重的污染，进而对国家或地区的食品安全形成巨大威胁。
加强核事故区域食品放射性检测是确保人员健康、保持社会稳定、防止恐慌性食
品抢购、防止人员恐慌性迁徙的重要工作。
针对上述问题，本文在已有的研究基础上，依托科技部重大仪器专项，围绕
核与辐射突发事件后，受污染食品的丫放射性活度检测为核心，开展了丫能谱测
量和活度计算的研究，设计了核应急食品放射性污染探测系统。本文主要研究内
容及成果如下:
1}结合丫能谱的测量原理，深入研究丫射线探测、核信号采集、能谱成形、
能谱传输、能谱分析、能量和效率刻度和活度计算等关键技术，提出了一体化的
设计方案，设计了核应急食品放射性污染探测系统。
2)设计了丫能谱测量的硬件电路，选用探测效率高、能量分辨率较好、使
用方便的碘化钠探测器对受污染食品发出的丫射线进行探测，经过前置放大，信
号调理，程控放大和抗混叠滤波后，经高速ADC进行采样，采用XILINX公司
的Spartan 3E系列FPGA作为主控芯片，SPI总线方式进行通信，完成了对核信
号的采集和传输。其中，对FPGA进行内部硬件电路开发，设计了信号采集电路、
数字化脉冲峰值甄别电路、能谱成形电路、SPI读写控制电路、通信控制电路，
实现了核脉冲信号到能谱的处理。
3)设计了丫活度计算的硬件和软件，采用基于专为要求高性能、低成本、
低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核的STM32F103VCT6作为
主控芯片。制订了STM32和FPGA的通信协议，实现了STM32和FPGA的通
信、能谱数据的实时传输。PC经串口从STM32读取谱数据，然后向STM32写
入能量刻度值和效率刻度值。将从FPGA读取的能谱数据经过谱光滑模块、峰值
提取及峰边界确定模块、核素识别模块、净峰面积及活度计算模块后，将活度在
TFT320240的液晶屏上显示。
4)系统测试，对前置放大器、主放大器和程控放大器等各级信号调理电路
的模拟核信号进行测试，验证各级模拟电路是否正常工作。通过ChipScopePro
逻辑分析仪实时显示ADC采集的核脉冲信号、脉冲峰值甄别模块输出的脉冲峰
值信号、能谱成形模块的谱数据，保证了FPGA内部硬件电路的稳定性。STM32
从FPGA读取的能谱数据进行液晶显示，确保通信模块正常工作。在此基础上开
展实验研究，对Cs-137放射源进行测量，表明系统能够用于核应急食品放射性
污染的探测。

发表于 2020-4-12 09:52

发表于 2020-4-12 09:53

核应急食品放射性污染快速检测仪的硬件电路，主要包括探测器前置放大电
路、主放大电路、程控放大电路、抗混叠滤波电路、高速ADC信号采样电路、
FPGA信号处理电路、STM32信号处理电路、串行通信接口和TFT液晶显示电
路等组成，来完成核信号的探测、采集、能谱成形、能谱传输、能谱分析、效率
刻度和能量刻度、能谱及活度显示等功能。

发表于 2020-4-12 09:53

发表于 2020-4-12 09:57

发表于 2020-4-12 09:58

这个需要放射元素吗？感觉这个开发过程有些危险啊。。。

发表于 2020-4-12 09:58

发表于 2020-4-12 09:59

東南博士发表于 2020-4-12 09:58
这个需要放射元素吗？感觉这个开发过程有些危险啊。。。

一起学习学习吧！

发表于 2020-4-12 10:00

发表于 2020-4-12 10:00

发表于 2020-4-12 10:01

发表于 2020-4-12 10:02

发表于 2020-4-12 10:02

探测器前置放大器出来的信号的幅度大约为0-2V之间，设计信号调理电路
主要是对前置放大器出来的信号进行放大和方向的调整，以满足后续电路的需要。
本文采用两个放大电路，分别是负向放大和正向放大，当前置放大器输出的信号
为正向时，可以选择负向放大的主放，当前置放大器输出的信号为负向时，选择
正向放大的主放，以满足后续的程控放大负向输入的要求。本文选用AD8065作
为放大器，它具有低噪声、宽带宽、高输入阻抗、高压摆率等优点，保证对于高
速核信号的放大不失真。

发表于 2020-4-12 10:05

学习学习！

发表于 2020-4-12 10:06

这个帖子很不错啊！！！关键是想看看 STM32 FPGA 是如何联系起来的！

发表于 2020-4-12 10:08

DAC0832的第1脚CS引脚是片选信号引脚，低电平有效;第19脚ILE引
脚是输入锁存使能引脚，高电平有效;第2脚WR1引脚，低电平有效，在CS
为低电平，ILE为高电平时，WR1引脚置0时，将数据总线上的数据写入输入
锁存器，WR1引脚置1时，输入锁存器中的数据锁存;第17脚XFER引脚是传
输控制信号，低电平有效;第18脚WR2引脚，低电平有效，在XFER为低电
平时，WR2引脚置0时，将输入锁存器中的数据传给DAC寄存器;第7, 6, 5,
4, 16, 15, 14, 13引脚是数据输入引脚;第8脚是参考电压输入引脚;第11
和12号引脚是电流输出引脚，其中Iout 1=(V REF/ 15 K) * C Digital Input/25 6
Ioutl=(VREF/15K)* C C 256-Digital Input ) /256;第9脚R。引脚是反馈电阻引脚。
DAC0832内部有一个R-2R梯形电阻网络，在梯形网络中，D7-DO作为开
关，D7-DO的值不同，UREF和LOUT 1之间的阻值就会不同。如图3-9所示，当D7-DO
全为1时，UREF和LOUT 1之间的阻值为R=15KS2，当D7-DO全为0时，UREF和LOUT 1
之间是断开的，电阻是无穷大的。引脚R}与IouTl通过电阻R}相连接的。利用
这个，设计了程控放大电路，程控放大电路是以FPGA作为微控制器，DAC0832
和运放LF356组成的程控放大为核心，实现增益持续可调。电路图如图3-10所
示。

发表于 2020-4-12 10:11

发表于 2020-4-12 10:11

发表于 2020-4-12 10:16

难点在于FPGA那部分，也就是数字多道部分

发表于 2020-4-12 12:53

caoenq 发表于 2020-4-12 10:16
难点在于FPGA那部分，也就是数字多道部分

这位仁兄你说到点上了

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